INVESTIGA I+D+i 2015/2016 GUÍA ESPECÍFICA DE TRABAJO SOBRE “VEHICULO ELECTRICO O VEHICULO A HIDROGENO. UNA DECISION ESTRATEGICA” Texto de D. Enrique Soria Lascorz Octubre de 2015 Introducción El transporte por carretera, es uno de los sectores más dependientes de los combustibles fósiles y en el que con más dificultad se está encontrando una alternativa sostenible que reduzca la dependencia del exterior (en el caso europeo y en el español necesitamos importar el petróleo para el transporte) y las emisiones de gases de efecto invernadero. Otros sectores como por ejemplo el sector eléctrico, han iniciado aunque con cierta timidez, el camino para una menor dependencia de los combustibles fósiles, y han encontrado una solución para ello, las energías renovables. Por ejemplo en el caso español más del 40 % de la electricidad proviene de las energías renovables, fundamentalmente la energía eólica y la energía hidroeléctrica y con una presencia cada vez mayor de la energía solar fotovoltaica y de la energía solar termoeléctrica. Los vehículos eléctricos pueden incorporar al sector del transporte estos valores de contribución de las energías renovables. La única opción a gran escala para reducir la dependencia de los combustibles fósiles en el transporte, ha sido hasta ahora la incorporación de los biocombustibles. La introducción de los biocombustibles en el sector del transporte por carretera, se realiza directamente en los vehículos ya disponibles en el mercado a través de los surtidores ya existentes que ofrecen directamente biocombustibles mezclados con la gasolina (bioetanol) o con el diésel (biodiesel). La ventaja principal del uso de C del exterior, la reducción de emisiones de efecto invernadero. El trasporte eléctrico, es en la actualidad la posibilidad más prometedora para transformar el sistema actual en otro que sea ambientalmente sostenible. En algunas situaciones especiales como por ejemplo en el caso de la movilidad en las ciudades es la única solución para solucionar el problema adicional acarreado por la contaminación en las ciudades que ya ha llegado a ser alarmante en algunos casos. El vehículo eléctrico no genera ningún tipo de emisiones durante su utilización en modo solo eléctrico, y reduce considerablemente los niveles de ruido ambiente. Junto a estas razones de carácter medioambiental existen otros motivos por los que el transporte eléctrico llegará a ser una realidad imparable, por un lado los sistemas de propulsión eléctrica son mucho más eficientes que los sistemas tradicionales de motores de combustión interna. Los rendimientos de los motores eléctricos son mucho más elevados, un motor de combustión interna apenas tiene un rendimiento del 20 %. Los desarrollos modernos requieren incorporar sistemas de mayor eficiencia energética ante una situación de recursos cada vez más caros y escasos. Vehículo eléctrico Existen fundamentalmente dos tecnologías para su uso en vehículos eléctricos, por un lado se encuentran los vehículos eléctricos dotados de baterías y por otro lado los vehículos de hidrógeno. El hidrógeno como vector energético en el transporte tiene dos posibles aplicaciones, por un lado las pilas de combustible y por otro los motores de combustión interna preparados para funcionar con hidrogeno en lugar de un combustible tradicional ( en este caso la contribución de la energía eléctrica se encontraría solamente en la fase de producción del hidrogeno), En lo sucesivo , nos referiremos como coches de hidrogeno a aquellos que se encuentran dotados de una pila de combustible, dejando para un futuro posterior abordar el otro tipo de vehículos de hidrogeno. A continuación se detallarán en este apartado, algunas de las particularidades de cada una de estas tecnologías. Vehículos eléctricos dotados de baterías Se consideran dentro de este apartado , aquellos vehículos en los que la propulsión procede total o parcialmente de la electricidad de las baterías, que sustituyen o complementan al depósito de combustible, utilizando para la recarga de las baterías un sistema externo como por ejemplo la red eléctrica. Actualmente existen tres tecnologías distintas para los vehículos eléctricos que pueden conectarse a la red eléctrica (vehículos enchufables) tanto en el mercado español como en el mercado mundial. Eléctrico puro En primer lugar el vehículo eléctrico puro (denominado como BEV Battery Electric Vehicle por sus siglas en inglés). Es un vehículo totalmente propulsado por un motor eléctrico alimentado por baterías que se recargan a través de una toma de corriente conectada a la red eléctrica. Su autonomía está limitada por la capacidad de su batería. La tecnología actual permite un rango entre 130 km – 300 km. La recarga de las baterías, se lleva a cabo, exclusivamente, a partir de la red eléctrica, aunque disponen de sistemas de recuperación de la energía de frenada en el propio vehículo. Eléctrico de autonomía extendida En segundo lugar el vehículo eléctrico de autonomía extendida (EREV, Extended Range Electric Vehicle). Vehículo eléctrico que además incorpora un pequeño motor térmico que acciona un generador para recargar las baterías. La propulsión es exclusivamente eléctrica, pero la recarga del motor eléctrico se realiza gracias al sistema auxiliar de combustión. Con esta configuración es posible extender la autonomía de los vehículos, hasta niveles similares a los que emplean combustibles tradicionales. Ofrece aproximadamente unos 80 km de autonomía en modo eléctrico. Vehículo híbrido enchufable En tercer lugar el vehículo híbrido enchufable (PHEV, Plug In Hybrid Vehicle por sus siglas en inglés). Este Vehículo combina la propulsión eléctrica a partir de la energía obtenida de la red, con la propulsión suministrada por un motor de gasolina o gasóleo convencional cuando las baterías eléctricas se han descargado. La autonomía eléctrica es mayor que en los híbridos convencionales (no enchufables), y también suele incorporar un sistema de recuperación de la energía de la frenada. La batería La batería es el componente determinante en este tipo de vehículos eléctricos, en la batería tiene lugar una reacción química reversible en la que se produce una corriente eléctrica que es capaz de alimentar un motor eléctrico. En sentido contrario al aplicar una corriente eléctrica a la batería los iones y electrones vuelven a su situación original. Existen tres tipos de baterías, que se emplean en los vehículos eléctricos, las baterías de Plomo-Ácido, las baterías de Metal-Níquel y las baterías de Ion-Litio. Las baterías de Plomo-Ácido son la opción de bajo coste, y que se han utilizado durante décadas como sistema de arranque de los motores de combustión. Su ventaja fundamental es el bajo coste, aunque solo pueden almacenar del orden de unos 40 Wh/kg, una densidad energética muy pobre en comparación con otros sistemas de almacenamiento. Las baterías de Níquel-Metal han sido el siguiente paso en los vehículos eléctricos, tienen más de 10 años de experiencia sobre todo en su incorporación en vehículos híbridos. Su potencia específica es superior a las anteriores (60 Wh/Kg), tienen un ciclo de vida largo , su ciclo de vida largo y no presentan problemas medioambientales tan graves como las batería de Plomo Las baterías de Ion-Litio, de las que existen muchas variedades en el mercado, son las que van a experimentar un mayor desarrollo para su aplicación en la industria del automóvil. Una de las características más importantes junto con la vida útil y el número de ciclos de carga y descarga es la densidad de potencia que puede llegar a valores superiores a los 120 Wh/Kg. El desarrollo de este tipo de baterías, ha dado un impulso prácticamente imparable a los vehículos eléctricos. Sistemas de recarga Existen varias posibilidades para recargar un vehículo eléctrico: Recarga conductiva (por medio de cables de conexión), que es la más habitual y desarrollada, y que se realiza conectando el vehículo a una toma de corriente por medio de un cable, ya sea en un enchufe doméstico o a través de un punto de carga. El tipo de carga convencional es el denominado de carga lenta, que suele tener una duración de unas ocho horas y que emplea la intensidad y el voltaje del mismo nivel que tiene la propia vivienda. Esta solución es la más adecuada para recargar el vehículo durante la noche en un garaje de una vivienda. Existe además un sistema de carga semi-rapida que emplea niveles más elevados de tensión y de voltaje ( por ejemplo niveles del orden de 32 amperios de intensidad) que no son posibles en sistemas domésticos sin instalar unos equipos de alimentación y control adecuados. Con este sistema el proceso de carga puede tener una duración de unas cuatro horas. Finalmente el tipo hay un tercer modo de recarga, que es la recarga rápida que supone unos 15 minutos de duración y mediante el cual se puede llegar a cargar hasta el 65 % de la carga total de la batería. La carga rápida emplea una mayor intensidad eléctrica, entrega la energía en corriente continua, esta solución desde el punto de vista del conductor , es la más parecida a los sistemas actuales de llenado de combustibles en una estación de servicio. Para este tipo de carga rápida es necesario acudir a uno de los puntos de recarga. Recarga por reemplazo de baterías, que consiste en la sustitución de la batería del vehículo eléctrico por otra batería cargada al 100%, en una operación de pocos minutos. Actualmente hay modelos como el Tesla S que han sido diseñados para poder realizar un recambio de baterías, pero quizás, donde esta opción se presenta como más factible es en el sector de las dos ruedas (motocicletas y bicicletas), donde existen vehículos con batería extraíble. Recarga inductiva o recarga inalámbrica por inducción magnética, es uno de los más prometedores mercados para la alimentación de vehículos eléctricos dadas sus ventajas sobre otros sistemas que exigen la conexión mediante cable. Mediante el empleo de tecnología de inducción, el usuario únicamente tiene que colocar su vehículo, dotado de un elemento receptor en los bajos, sobre una plataforma de carga que está en el suelo. Cuando el sistema detecta que tiene el coche encima, se conectan de forma inalámbrica y comienza la transferencia de energía y el proceso de carga. Termina cuando la recarga se ha producido, cuando se interrumpe manualmente o cuando el vehículo de aleja del punto de carga. Este sistema, permitiría por ejemplo la recarga del vehículo al parar en un semáforo o simplemente pasando por encima de placas que se encuentran empotradas en el asfalto. En España existen empresas tecnológicas que han desarrollado sistemas eficientes de carga de vehículos eléctricos por inducción, por ejemplo el indicado en la figura desarrollado por el centro de investigación CIRCE. (Figura 1. Sistema de carga para vehículos eléctricos por inducción. Fundación CIRCE) En la actualidad el parque de vehículos eléctricos español se sitúa alrededor de las 10.000 unidades. Los puntos de recarga en funcionamiento se estiman en 200. La estrategia actual desarrollada por la administración para el impulso de vehículos con energías alternativas permitiría alcanzar un parque total de aproximadamente unos 150.000 vehículos eléctricos en el año 2020. En cuanto a la infraestructura de puntos de recarga de acceso al público de vehículos eléctricos, serían necesarios según la Directiva en el año 2020 aproximadamente 1.200 puntos de recarga en el ámbito urbano. Vehículos de Hidrógeno El otro tipo de vehículos de propulsión eléctrica, son los vehículos eléctricos de pila de combustible, generalmente denominados coches de hidrógeno, uno de los motivos fundamentales de estos coches de hidrogeno, es la mayor autonomía y la mayor velocidad de recarga, En este caso los conductores prácticamente no tendrían que cambiar los hábitos adquiridos en el uso de los coches convencionales. Un vehículo de hidrogeno con pila de combustible, podría considerarse como un vehículo eléctrico de autonomía extendida, en este sentido cuenta con los mismos componentes de un vehículo eléctrico y cuenta además dos componentes adicionales: la pila de combustible y los depósitos de almacenamiento de hidrogeno. En los apartados siguientes se describirán estos dos componentes específicos. (Figura 2. Esquema de un vehículo de hidrógeno) Pilas de Combustible Las pilas de combustible o celdas de combustible son unos dispositivos electroquímicos, capaces de convertir directamente la energía química contenida en un combustible en energía eléctrica. Esta transformación electroquímica (sin combustión) no está limitada por los rendimientos de los procesos de combustión lo que permite conseguir rendimientos relativamente altos (en la práctica en el entorno del 40 o 50%, aunque en teoría podrían ser bastante superiores). Se presentan como unos dispositivos con enorme potencial de aplicación. Fundamentalmente una pila de combustible es una agrupación de celdas o células individuales con conexiones internas en serie. Estas celdas están formadas por dos electrodos (polo positivo y polo negativo) donde se producen respectivamente la oxidación del hidrógeno y la reducción del oxígeno, y por un electrolito (que puede ser un medio tanto ácido como básico) que permite el intercambio de los iones que generan ambas reacciones. Una pila de combustible es una especie de batería de alta tecnología que convierte la energía química del combustible que la alimenta en energía eléctrica. Hay una gran diferencia con las baterías, una batería almacena en su interior la energía química que convierte en electricidad; cuando se termina esa energía química, la batería se cambia por otra o bien se recarga conectándola a la red eléctrica tal como se ha descrito en el apartado anterior. La pila de combustible, en cambio, convierte en electricidad la energía química de un combustible que recibe del exterior y es capaz de suministrar energía eléctrica de forma continua mientras se mantenga el aporte de este combustible. Uno de los reactivos de la pila es siempre el oxígeno, que procede del aire y que por tanto no es necesario almacenar. El combustible propiamente dicho es normalmente el hidrógeno, que puede ser suministrado de forma directa y que mantendrá la producción de electricidad mientras haya hidrogeno en el depósito. En uno de los tipos más conocidos y sencillos de pila de combustible, el electrolito es una membrana, que permite el intercambio de protones entre cátodo y ánodo pero no el paso de electrones que se mueven a través de un circuito externo proporcionando la corriente eléctrica. En resumen mezclando el hidrogeno procedente del depósito del vehículo y el oxígeno del aire, se genera electricidad y vapor de agua que sale por el tubo de escape. En la figura 3 se representa una pila de combustible de las incorporadas al automóvil. Generación y almacenamiento de Hidrógeno El hidrogeno es uno de los elementos más abundantes en la naturaleza, pero no se encuentra en estado libre, desde el siglo pasado se conoce como obtener hidrogeno mediante la electrolisis del agua, este proceso además de limpio, produce hidrogeno de elevada pureza. La electrólisis requiere un aporte considerable de electricidad. Una de las maneras de garantizar la sostenibilidad del proceso de obtención del hidrogeno, es emplear las energías renovables para la producción de esa electricidad. El almacenamiento de hidrogeno para su uso en los sistemas de automoción, presenta algunas restricciones en cuanto a peso y tamaño, existiendo algunos límites para que los vehículos de hidrogeno, tengan una autonomía equivalente a los vehículos convencionales. El hidrogeno, es un gas combustible, altamente inflamable, no es toxico, sin color sabor ni olor característico, la seguridad es uno de los criterios más importantes a la hora de definir un sistema de almacenamiento. Existen diferentes formas de almacenar de hidrógeno: En forma de gas a presión En forma líquida (almacenamiento criogénico a temperaturas muy bajas) En forma de compuestos estables (hidruros metálicos) En forma de otros compuestos químicos En microesferas de vidrio. De todas estas maneras, actualmente solo las tres primeras tienen la suficiente madurez para ser empleadas actualmente en el sector del transporte. Almacenamiento de gas a presión Es la forma de almacenamiento más difundida y que cuenta con mayor experiencia. En los centros de producción de H2, el gas se comprime a una presión muy elevada (200 atmósferas) y se envasa en botellas u otros recipientes. Estas botellas. Con el fin de disminuir el peso de estos sistemas, se emplean materiales compuestos como por ejemplo la fibra de vidrio y la fibra de carbono. El tanque de hidrogeno es uno de los componentes mas caros de todo el conjunto, debe soportar unas presiones muy elevadas y debe ser muy hermético para evitar las fugas de hidrogeno. El hidrogeno es el gas mas volátil. En la figura que se presenta a continuación se puede ver un depósito de almacenaminto de hidrógeno en forma de gas a presión. Figura 4. Tanque de almacenamiento de hidrogeno de un vehiculo Toyota . Almacenamiento en forma de hidrógeno líquido Es un sistema que se emplea fundamentalmente en automoción y en las aplicaciones espaciales. Requiere mantener recipientes a temperaturas muy bajas, por ejemplo, la temperatura de ebullición del hidrogeno a la presión de una atmosfera, es de -252 ºC. Esto quiere decir que para poder almacenar hidrógeno líquido a presión atmosférica hemos de mantener estas bajas temperaturas. Aquí radica el principal inconveniente de almacenar y manipular el gas licuado en estas condiciones. Almacenamiento en forma de hidruros metálicos Ya a finales de los años 60, diversos laboratorios y centros de investigación comenzaron a trabajar en ciertos compuestos metálicos que presentaban la propiedad de combinarse con el hidrógeno en una reacción os reversible. A partir de estos trabajos se comprobó que las reacciones químicas de los procesos de formación y descomposición de numerosos hidruros metálicos son lo suficientemente rápidas como para considerar su uso en sistemas de almacenamiento de hidrógeno En la figura número 5, puede apreciarse el sistema de carga de hidrogeno en una “hidrogenera”. En la figura 6, se aprecia un detalle del sistema de carga de hidrogeno. Actualmente, el parque de vehículos tanto a nivel europeo como a nivel español es muy escaso, se han desarrollado varios proyectos de demostración en ciudades como Madrid y Barcelona con Autobuses propulsados por pila de combustible. Se estima que, a nivel europeo, la penetración del vehículo eléctrico de pila de combustible se situará en un 3% en 2025, y podría llegar hasta un mínimo del 5 % de la totalidad del parque automovilista en el año 2015. En la actualidad España presenta un nivel inferior al resto de Europa en cuanto a implantación de coches de Hidrogeno y el nivel de infraestructuras, aunque en el aspecto de las capacidades en investigación y desarrollo de las tecnologías del hidrogeno y pilas de combustible, cuenta con centros importantes. España posee cuatro hidrogeneras en operación: dos en Aragón (Zaragoza y Huesca), una en Albacete y una en Sevilla. A lo largo del año 2015 se abrirán dos nuevas estaciones en Puertollano y en Sevilla, completando así un total de seis hidrogeneras operativas. Potenciales temas de debate ¿Se han usado en otras épocas vehículos eléctricos? A finales de la década de los 90, surgieron en los Estados Unidos varios modelos de automóviles eléctricos con prestaciones equiparables a los modelos de gasolina. ¿Cuáles son las diferencias y las similitudes entre las dos tecnologías de vehículos eléctricos con baterías y vehículos eléctricos con pila de combustible? Se pretende con esta reflexión profundizar en las dos tecnologías y abordar aspectos como la autonomía, seguridad, facilidad de recarga, prestaciones , que ventajas e inconvenientes presenta cada una de las tecnologías, etc. ¿Qué oferta comercial existe actualmente para cada una de las tecnologías mencionadas? Ahora mismo es posible encontrar ofertas comerciales de coches eléctricos a precios asequibles (contando con las ayudas que proporcionan las distintas administraciones públicas), con esta cuestión se pretende obtener una idea del grado de desarrollo actual de cada una de las tecnologías de los vehículos eléctricos. El desarrollo de las baterías. El caso de la batería y el coche TESLA. El coche eléctrico ha impulsado de una manera espectacular el desarrollo de las baterías. Hay ya una nueva generación de baterías (ion – litio etc...) para el transporte, las telecomunicaciones y el uso doméstico como sistema de almacenamiento de la electricidad. El fabricante de automóviles TESLA anuncia nuevos modelos de baterías eléctricas para almacenar energía en las casas. La producción y el suministro de hidrogeno frente a la red de los puntos de carga para vehículos eléctricos Los sistemas y la facilidad de la recarga de los vehículos eléctricos y los vehículos de hidrogeno, van a ser uno de los aspecto determinantes para definir el éxito de estas tecnologías, con este epígrafe, se pretende orientar la búsqueda de información en aspectos como las electrolineras, los puntos de recarga de vehículos eléctricos , las hidrogeneras, etc.. Otras aplicaciones de los vehículos eléctricos distintas al transporte terrestre. Con este apartado se pretende orientar la búsqueda de información en aspectos como la aplicación de las tecnologías de vehículos eléctricos y de hidrogeno al sector del transporte aéreo, donde el peso y la autonomía son un factor esencial o la aplicación de estas tecnologías en el transporte marítimo. Fuentes de información Recursos disponibles relacionados con el tema en la base de datos en INVESTIGA I+D+i correspondiente a anteriores ediciones (http://www.programainvestiga.org ) - Combustibles para el futuro. Presentación y Guía (Edición 20112012). El almacenamiento de Energía. Presentación (Edición 20102011). El uso y la generación de Hidrógeno. Presentación (Edición 2010-2011). AEDIVE Asociación empresarial para el desarrollo e impulso del vehículo eléctrico. http://aedive.es/ Guía del vehículo eléctrico: http://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/Guia-del-VehiculoElectrico-II-fenercom-2015.pdf AEH2 Asociación Española del Hidrógeno http://www.aeh2.org/index.php?option=com_content&view=article&i d=167 IDAE Vehículos y tecnologías alternativas http://coches.idae.es/portal/CombustiblesAlternativos/CombustiblesA lternativos.aspx Páginas web de las compañías eléctricas y otros agentes del sector eléctrico,( la mayoría de las grandes compañías eléctricas asi como el operador del sistema, han desarrollado actividades para la promoción de vehículo eléctrico y los sistemas de recarga, en particular se puede encontrar información en las páginas de ENDESA y RED ELECTRICA DE ESPAÑA) Páginas Web de los fabricantes de automóviles ( sin pretender ser exclusivo al menos los siguientes fabricantes han desarrollado modelos de vehículos eléctricos tanto de baterías como de pilas de combustible : RENAULT, NISSAN, BMW, PSA PEUGEOT CITROEN, TOYOTA, HONDA,TESLA etc..